在线实时自动检测系统设计与分析开题报告.doc

SHANDONG 毕 业 论 文 在线实时自动检测系统设计与分析 学 院 电 气 与 电 子 工 程 学 院 专 业 电 子 信 息 科 学 与 技 术 学 生 姓 名 岳梅 学 号 0712203265 指 导 教 师 李 田 泽 2011 年 6 月 摘 要 在现代工业生产中 存在着大量细丝直径的测量问题 由于测微仪等接触 测量会引起被测细丝产生形变 工业上常采用电阻法和称重法测量 这类方法 测量精度低 而且只能测量某一段细丝的平均直径 近年来 由于激光的应用 出现了激光扫描测量法和投影放大法 虽然实现了非接触测量 但测量精度不 高 因此本研究采用具有高分辨率 高灵敏度 像素位置信息强 结构紧凑等 优点的电荷耦合器件 CCD 设计一种在线实时自动检测系统 实现对细丝直径 的高精度 快速 免损 非接触的测量 具有非常重要的意义 在线实时自动检测系统主要包括激光光学系统 线阵 CCD 传感器 单片 机控制系统以及计算机处理系统 它的工作过程为 采用 He Ne 激光器作为光 源 利用新型电荷耦合器件作为光电接收装置 根据夫琅和费衍射原理 激光 器发出的光束经过光学系统处理后 入射到电荷耦合器件 CCD 的光敏面上 经 CCD 形成视频信号输出 通过预处理与二值化处理 再把模拟信号转化为 数字信号 最后经 USB 接口送入计算机进行数据计算与显示 实现细丝直径尺 寸的测量 本论文研究的内容主要包括 总体方案论证 光学系统研究 CCD 驱动电路及 CCD 视频信号二值化处理电路研究 数据采集与处理系统研究 软件设计与误差分析 其中选用了 TCD1206 作为线阵 CCD 用于在线检测的传 感器件 重点分析了 TCD1206 的驱动时序 设计了 TCD1206 的驱动电路和输 出信号处理电路 对通用型单片机的各模块的功能进行了分析 同时对单片机 的硬件系统进行了扩展 另外通过软件设计能有效地实现细丝直径的尺寸计算 并对可能造成的误差进行了分析 验证了方案的可行性 此测量系统具有工 作 稳 定 精 度 高 分 辨 率 高 非接触自动在线检测等 特点 测量范围为 20 m 200 m 测量精度为 1 m 本设计可以解决细丝直 径 超细孔径 超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题 关键词 CCD 非接触测量 驱动电路 数据采集与处理 ABSTRACT In modern industrial production there are many large filament diameter measurement problems Beacause the contact measurement of the micrometer will cause the deformation of the measured filaments we ofen use the method of resistance measurement and the weighing But accuracy of these methods are low and they can only measure the average diameter of a section of filament In recent years beacause of the application of the laser there has been laser scanning method and the projection magnification method Although it implements the non contact measurement its accuracy is not high Therefore this study uses charge coupled device CCD which has the advantages of high resolution high sensitivity high pixel location compact structure to designe an online real time automatic detection system It achieves high accuracy rapid damage free non contact measurement on the filament diameter It has great significance Line real time automatic detection system consists of laser optical system line array CCD sensor MCU control systems and computer processing system It s working process I use He Ne laser as light source and a new charge coupled device as the optical receiver According to Fraunhofer diffraction theory The beam from the laser treatment is through the optical system and is incident to the photosensitive surface of CCD charge coupled device It is formed video signal by the CCD to output and by pre treatment and binarization the analog signals is into digital signals Then by the USB interface it is into the computer for data calculation and display to achieve the measurement of filament diameter The contents of this thesis include demonstration of the overall program research of optical system research of CCD drive circuit and the CCD video signal processing circuit research of data acquisition and processing system and software design and error analysis TCD1206 is chosed as one of the linear CCD sensors for on line detection The focus analysis is the driving timing of TCD1206 I designed TCD1206 driving circuit and output signal processing circuit analyzed the function of the general purpose MCU of each moduleI and extended the microcontroller hardware In addition software design can effectively achieve the filament diameter size calculation I analyzed the possible errors and I verified the feasibility of the program This measurement system has the features of stable work process high accuracy high resolution non contact automatic line detection Its measurement range is 20 m 200 m and measurement accuracy is 1 m Key words CCD non contact measurement drive circuit data acquisition and processing 目 录 摘 要 I ABSTRACT 英文摘要 目 录 第一章 引 言 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 2 课题的国内外研究现状 2 1 3 本论文的主要研究内容 4 第二章 系统总体方案设计 6 2 1 总体方案设计 6 2 2 系统特点及主要技术指标 7 第三章 光学系统设计 8 3 1 光源的选择 8 3 2 光学系统设计 9 3 2 1 基 本 原 理 介 绍 9 3 2 2 光 学 系 统 设 计 11 第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计 13 4 1 CCD 器件 13 4 1 1 电 荷 耦 合 器 件 的 结 构 13 4 1 2 电 荷 耦 合 器 件 的 特 性 参 数 14 4 2 CCD 器件的选择 16 4 2 1 TCD1206 的 性 能 及 特 点 16 4 2 2 TCD1206 的 引 脚 18 4 3 CCD 驱动电路的设计 19 4 4 CCD 视频信号处理电路设计 21 4 4 1 CCD 输 出 视 频 信 号 的 预 处 理 21 4 4 2 CCD 输 出 视 频 信 号 的 二 值 化 处 理 方 法 23 4 4 3 TCD1206 视 频 信 号 二 值 化 处 理 电 路 26 第五章 数据采集系统设计 28 5 1 采集控制系统的设计 28 5 2 单片机及其外部扩展 30 5 2 1 8051 单 片 机 介 绍 30 5 2 2 程 序 存 储 器 与 数 据 存 储 器 31 5 3 A D 转换设计 32 5 4 串行通信设计 35 5 5 LED 数码显示电路设计 36 5 6 电源电路设计 38 第六章 单片机软件系统设计 39 6 1 8051 主控制模块 39 6 2 数据通信与处理模块 40 6 3 控制 CCD 驱动程序 42 第七章 误差分析 43 7 1 误差分析 43 7 1 1 测量原理误差 43 7 1 2 CCD 像元灵敏度不均匀误差 44 7 1 3 偶然误差 44 结论 46 参考文献 47 致谢 49 附录 50 第一章 引言 1 1 课题研究的目的和意义 随着科研和生产的迅速发展 对透明或不透明的棒件 管件以及线件等工 件的直径尺寸实现快速 高精度 非接触 操作方便和稳定可靠的检测是非常 必要的 例如对电缆 电线 钢丝 裸铜线 轧钢 纤维 橡胶 小钻头 灯 丝的生产加工和测量这些线材和棒料往往都是在自动化生产线上加工的 加工 速度快 生产效率高 其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相 连的 可以说产品质量在很大程度上是由监测仪器的精度所决定的 应用传统 的接触测量 由于接触力的作用 测量精度较低 而且无法实现动态测量 应 用普通光学测量 测量时间较长 而且无法实现在线测量 目前 尺寸的测量要求无论是在研究方面还是生产方面都有了新的要求 特别是在如何提高测量精度 加快测量速度 非接触检测上提出了更高的要求 本课题提出的这项具有现实意义的检测方法 采用了激光技术与 CCD 技 术相结合的光电传感技术 可实现细丝直径在线非接触自动测量 它与电子学 计算机技术相结合可构成具有实际应用价值的自动检测系统 随着科学技术的 发展 具有非接触 高速度 高精度 便于数字化 易于和计算机相结合 易 于自动化 因此可应用在诸多领域 电荷耦合器件 Charge Coupled Device 简称 CCD 是 20 世纪 70 年代初 发展起来的一种新型高精度半导体器件 它具有自扫描 灵敏度高 分辨率高 的特点 CCD 从出现至今 发展迅速 分辨率越来越高 功能越来越完善 利 用 CCD 可以满足高速 高精度以及非接触测量的要求 目前 CCD 在光电成像 领域具有重要的地位和广泛的应用 通过以上分析 应用高精度传感器电荷耦合器件 CCD 研发一种高精 度在线实时自动检测仪用于上述细丝直径 钢管内外径的精确 快速 在线检 测 具有重要的现实意义 1 2 课题的国内外研究现状 按检测方式的不同 国内外对内径尺寸的检测主要分为人工检测和自动检 测两类 人工检测一般使用接触物体的计量工具 如螺旋测微器 百分表等 或 者人工判读的非接触光学仪器 可以直接取样接触测量或者利用超声波测厚仪 来测量 其中传统的检测方法采用千分尺人工测量 随机抽取产品 分别测出 壁厚和外径 然后取平均值的方法得到该批样品的平均壁厚 平均外径以及平 均内径 该检测方法速度慢 效率低 检测精度低 且人为因素影响大 难以 满足大批量生产检测的要求 近年来随着 CCD 的产生与发展 国内外常采用 CCD 作为光电转换器来检测管状物体的内外径 CCD 器件是一种光 电相结合的器件 它能通过光电转换 将非电量的光 学图像变换成电信号 这对于后续的信号处理极为有利 利用 CCD 器件本身 所具有的自扫描 高分辨率 高灵敏度 结构紧凑 像素位置准确等特性进行 测量时 无须配置复杂的机械运动结构 从而减小了产生系统误差的来源 将 CCD 应用于几何量测量中具有测量精度高 价格低廉 易于维护 操作容易等 优点 可以实现高效率 自动化 动态检测 非接触测量等要求 在工程实际 检测中 尤其是在小尺寸的测量方面具有很强的优势 随着超精加工和微细加工技术的发展 尺寸的下限越来越小 精度要求越 来越高 随着新的测量原理和方法的开发 小尺寸测量的分辨率和准确度也不 断提高 一些新的测量技术在几何量测量技术中正在或已经开始得到应用 例 如 CCD 测量 电子显微镜测量 电视显微镜测量 计算机辅助测量等等 从 这个意义上来说 小尺寸测量乃是体现精密测量 超精密测量的一个重要方面 对 细 小 窄 薄 等 小 尺 寸 测 量 历 来 是 实 际 工 程 应 用 中 的 技 术 难 点 之 一 小 尺 寸 测 量 的 对 象 包 括 细 丝 的 直 径 狭 缝 的 宽 度 小 孔 的 孔 径 包 膜 的 厚 度 微 小 位 移 量 等 以 细 丝 直 径 的 测 量 为 例 传 统 的 测 量 法 测 量 精 度 不 高 费 时 费 力 不 能 满 足 现 代 测 量 高 效 自 动 化 的 要 求 光 学 高 倍 投 影 法 测 量 受 结 构 空 间 限 制 较 大 测 量 精 度 低 工 作 量 大 难 以 实 现 自 动 化 激 光 技 术 的 发 展 为 细 丝 直 径 的 测 量 提 供 了 新 的 测 量 原 理 和 方 法 由 于 激 光 衍 射 法 测 量 精 度 高 具 有 非 接 触 测量的优点 已被应用于小尺寸测量 按测量信号的接收 方式 分为目测法和固体摄像法 目测法只能用于静态检测 而固体摄像法可 实现自动在线检测 由此可见 CCD 作为固体摄像器件的一种 应用于小尺寸 检测具有很强的优势 针 对 不 透 明 管 状 物 体 内 径 的 检 测 需 要 检 测 管 深 处 内 径 时 经 常 采 用 将 检 测 头 伸 入 内 孔 进 行 测 量 的 方 法 而 对 于 透 明 物 体 如 玻 璃 管 的 内 外 径 的 检 测 常 利 用 激 光 扫 描 与 线 阵 CCD 结 合 来 测 量 基 本 原 理 是 通 过 激 光 照 射 利 用 透 明 物 体 的 透 光 性 来 测 量 管 径 和 壁 厚 检 测 精 度 一 般 在 0 02mm 左 右 近年来国内的有这样的发展 1 997 年 张 文 伟 庄 葆 华 等 采 用 面 阵 CCD 进 行 内 孔 直 径 测 量 通 过 CCD 扫 描 获 得 内 孔 的 图 像 经 二 值 化 处 理 得 到 孔 的 边 缘 最 后 经 圆 的 拟 合 得 到 内 孔 直 径 长 春 理 工 大 学 光 电 工 程 学 院 的 徐 熙 平 张 连 存 等 人 采 用 单 光 三 角 测 量 原 理 设 计 了 一 种 基 于 PSD 的 非 接 触 式 测 量 内 径 的 光 电 测 量 系 统 该 系 统 测 量 误 差 不 于 0 03mm 重 复 性 测 量 精 度 优 于 0 03mm 国外发展状况如下所述 1988 年 日本三菱电机公司应用机器研究所的高 岛和夫等人于发明了管内面形测定装置 该装置采用激光三角法 以线性光电 二极管作为信号接收器 对钢管内径和形状进行了检测 但在检测管内面椭圆度 误差时 效率较低 检测钢管的长度也只有 5m 左右 2000 年的德国专利 System to monitor intemal diameter of bore 中介绍了对 1mm 5mm 深 50mm 的内孔尺寸的测量 20 世纪 70 年代初由美国贝尔电话实验室的 W S Boyle 和 G E Smith 发明了一种新型半导体集成光电器件 CCD 电荷耦 合器件 其应用研究取得了惊人的进展 特别是在图像传感 光电检测技术和 非接触测量领域的发展更为迅速 CCD 的发展异常迅速 器件的象元数目增多 中心间距减小 以线阵 CCD 为例 其象元中心距在研制成功初期为 30 m 到 1984 年已减小到 7 m 到 1999 年 性能比较高的 CCD 中心距已可做到 4 m 象元数最初为 128 元 到 1984 年已提高到 5000 元 到 1999 年 象元数已可达到 8800 元 CCD 中心间距的减小和象元数的增加 意味着测量精度的提高 面阵 CCD 的 发展也很快 1975 年 面阵 CCD 的象元数只有 512 320 1985 年就推出 2048 2048 象元的面阵 CCD 1999 年 4096 4096 象元的器件也已问世 面阵 CCD 的中心距也有明显的减小 CCD 结构也从开始时的单沟道结构 发展为 双沟道结构 如今正向性能更好的结构发展 随 着 CCD 应 用 范 围 日 益 广 泛 对 CCD 器 件 的 要 求 也 越 来 越 多 CCD 传 感 器 的 出 现 使 传 统 的 光 电 技 术 发 生 了 重 大 变 化 对 人 类 生 活 的 许 多 领 域 有 着 积 极 的 影 响 目 前 CCD 应 用 技 术 的 研 究 方 兴 未 艾 CCD 产 品 日 新 月 异 国 际 上 竞 争 相 当 激 烈 国 内 CCD 应 用 技 术 也 有 很 大 的 发 展 它 的 研 究 受 到 普 遍 重 视 1 3 本论文的主要研究内容 本论文从原理分析 硬件设计 软件设计及误差分析等方面对在线自动内 径检测系统进行设计与分析 主要研究内容为 1 总体方案设计 提出细丝直径测量的原理方案 使在线实时自动检 测系统具有较高的分辨率 2 光学系统研究 设计出一种能实现高分辨率测量 性能优良的 CCD 光学系统 3 CCD 驱动电路研究 研究出一种可靠性高的 满足 CCD 驱动时序要 求的驱动电路 4 CCD 视频信号二值化处理电路研究 研究出一种可提高二值化处理 精度的处理电路 5 研究出一种可实现高分辨率测量 响应快 失真小 抗干扰能力强 的线阵 CCD 数据采集与处理系统 6 对系统的控制 数据采集和数据处理等功能进行软件设计 7 研制出一种可以适应细丝直径的高精度在线实时自动检测系统 并 对测量误差进行分析 本文的研究重点在测量方案的确定 CCD 传感器的选用以及单片机控制系 统的研究 是在以前工作的基础上 针对以往测量系统的不足改进了测量方案 选择了 CCD 传感器并建立相应的单片机软硬件系统 在 以 往 的 测 量 系 统 中 比 较 常 见 的 是 使 用 成 像 法 和 激 光 扫 描 法 系 统 结 构 比 较 复 杂 造 成 误 差 来 源 较 多 难 以 有 效 提 高 测 量 精 度 本 系 统 以 细 丝 直 径 为 例 利 用 光 的 衍 射 原 理 对 细 丝 进 行 高 精 度 的 直 径 测 量 提 出 了 更 为 简 单 可 行 的 测 量 方 案 通 过 引 入 目 前 己 被 广 泛 使 用 的 CCD 器 件 简 化 了 测 量 系 统 的 整 体 结 构 使 得 安 装 调 试 更 为 简 便 同 时 减 少 了 许 多 误 差 来 源 保 证 了 测 量 值 的 较 高 精 度 这 是 本 文 的 创 新 之 处 第二章 系统总体方案设计 2 1 总体方案设计 根据对测量原理的分析 提出以下基于 CCD 器件的检测设计方案 由于 CCD 传感器具有灵敏度高 光谱响应宽 动态范围大 像元尺寸小 几何精度 高 抗震动 防潮湿及成本低 功耗低 噪声低和使用寿命长等特点 多年来 它一直受到人们的高度重视 发展十分迅速 结合 CCD 传感器的这些优点 再配置以适当的光学系统 便可获得很高的空间分辨率 特别适用于几何尺寸 的高精度非接触式在线检测 本系统具体组成包括 光源 被测件 细丝 光学系统 线阵 CCD 传 感器 CCD 驱动电路 二值化处理电路 数据采集与处理系统 计算机系统 显示 控制 等 该系统的组成框图如图 2 1 所示 He Ne 激光器 被测工件 CCD 图像传感 器 CCD 驱动电路 CCD 信号二值 化处理电路 数据采集与处 理系统 计算机显示 光学系统 图 2 1 CCD 测 量 系 统 原 理 框 图 工 作 过 程 氦 氖 激 光 器 射 出 的 激 光 束 经 过 扩 束 准 直 滤 波 后 入 射 到 被 测 细 丝 上 在 距 细 丝 一 定 距 离 处 产 生 衍 图 样 CCD 图 像 传 感 器 在 驱 动 电 路 的 作 用 下 接 收 衍 射 条 纹 将 光 信 号 转 换 成 与 之 相 应 的 电 输 出 信 号 电 信 号 经 过 二 值 化 处 理 将 CCD 电 信 号 中 图 像 尺 寸 部 分 与 背 景 部 分 分 离 成 二 值 化 电 平 最 后 经 过 数 据 采 集 将 探 测 到 的 信 号 转 换 成 数 字 量 输 入 计 算 机 进 行 软 件 计 算 通 过 显 示 屏 显 示 出 测 量 结 果 细 丝 测 量 的 计 算 过 程 如果满足 且d sinx 根据远场 Fraunhofer 衍射公式可得 为细丝直径 表示第几级暗纹数 为氦氖激kDdxSM k 光器的波长 是第 级暗纹的位置 S 为暗纹之间的距离 为所用 CCD 像元k 间距 S 的确定是数据处理的一个很重要的任务 可简单用扫描法逐点扫描衍射 图样来识别暗点位置 在顺序扫描时如果某一点 像元 的信号值同时小于其 前后邻近两点的值 则改点为一暗纹位置 记下 CCD 像元序号 扫描结束 即可得到全部暗点位置 后点序号减前点序号即可得到有关各级暗纹的间距 M 以像元数为单位 考虑图样中间位置遮去中心亮纹部分 不宜用作测量信 息 因此取整个图样中最左 最右两边各 4 个间距迭加平均值作为暗纹间距 S 的最终测量结果 最后由上式计算得到所测细丝的直径 2 2 系统特点及主要技术指标 该系统为一种高速 高精度 非接触的测量系统 它涉及到光学 精密机 械 现代传感器技术 自动控制 电子学和计算机等多学科的现代技术 本设 计中的线阵 CCD 测量系统是将 CCD 传感器与机械 电子和计算机相结合的非 接触测量系统 该测量系统具有工作稳定 精度高 分辨率高 非接触自动在线检测等特 点 测量范围为 20 m 200 m 测量精度为 1 m 本设计可以解决细丝直 径 超细孔径 超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题 第三章 光学系统设计 3 1 光源的选择 光 源 的 选 择 对 于 图 像 传 感 器 的 有 效 利 用 是 很 重 要 的 线 阵 CCD 是 由 光 源 通 过 光 学 系 统 后 照 射 在 其 光 敏 面 上 从 而 获 得 信 号 如 果 光 源 的 强 度 或 频 谱 发 生 变 化 信 号 也 将 随 之 变 化 所 以 合 理 地 选 择 光 源 是 获 得 理 想 输 出 信 号 的 关 键 常用的光源有自然光源和人工光源两类 各种天体 包括地球 太 阳 星体 及大气等都是自然光源 自然光源是客观存在的 人们只能对其研 究和利用 不能改变其发光特性 人工光源主要有白炽灯 卤素灯 气体放电灯 激光器等 钨丝白炽灯是 最为常见的人工光源 在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射 属于热辐射 体 卤钨灯是一种改进的白炽灯 常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯 气体放电 灯包含汞灯 钠灯 氙灯等 它们的共同原理是气体放电 这几种光源在照明 中比较常见 但在研究中很少应用 主要是因为稳定性和方向性差 激光光源是一种新型光源 与其他光源相比有单色性好 方向性强 光亮 度极高的优点 因而在国防 科研 工农业生产和医疗方面得到广泛的应用 电荷耦合器件 CCD 的应用系统大致可以分为两类 摄像和检测 不同类型对 照明光源有不同的要求 需根据不同需要选用 首先检测系统包括两种 一种 是通过测量被测物体的像来确定被测物体的某些特征参数 另一种是通过测量 被测物体的空间频谱分布来确定被测物体的某些特征参数 前者只要选用白炽 灯或者卤钨灯作为照明光源即可 后者应选用激光照明 因为它能满足单色性 高 干涉性好 光束准直精度高等要求 CCD 器件的光谱响应范围为 0 2 1 1 峰值响应波长多为 0 55 氦氖气体激光器的激光波长为 0 6328 m m m 光敏响应灵敏度很接近于其峰值响应波长的光谱灵敏度 与其他激光器相比 用相同功率光束照明 可得到较大的信号输出 并且 此种激光器的制造技术 比较成熟 且结构简单 使用方便 价格便宜 故常被选用 由于氦氖激光器输出的光束质量好 有良好的功率稳定性 激光参数一致 性好 因此在本检测系统中 本文选择氦氖激光器作为本测量系统的光源 基 于以上考虑 本系统中采用 Melles Griot 公司生产的 25 STP 910 230 稳频氦氖 激光器 主要技术指标 波长为 632 8nm 模式是 TEM00 模 噪音 RMS 为 0 5 30Hz 10MHz 工作温度在 20 至 40 摄氏度之间 这种 He Ne 激光 器拥有许多其他激光器所难以比拟的优点 价格低廉 各台之间重复性好 输 出谱线从绿光到近红外 点稳定性好 噪声低 相干性好 相干长度最长能达 几公里 转换效率高 可用电池供电 因此本论文选择 He Ne 激光器作为光源 3 2 光学系统设计 3 2 1 基 本 原 理 介 绍 当光在传播过程中经过障碍物 如不透明物体的边缘 小孔 细线 狭缝 等时 一部分光会传播到几何阴影中去 产生衍射现象 如果障碍物的尺寸与 波长相近 那么 这样的衍射现象就比较容易观察到 单缝衍射有两种 一种 是菲涅耳衍射 单缝距光源和接收屏均为有限远或者说入射波和衍射波都是球 面波 另一种是夫琅和费衍射 单缝距光源和接收屏均为无限远或相当于无限 远 即入射波和衍射波都可看作是平面波 在用散射角极小的激光器 Dd x sin 产生暗条纹的条件是 k 1 2 3 3 1 d sin 暗条纹的中心位置为 3 2 dDx 两相邻暗纹之间的中心是明纹中心 由公式 得 当 相同 20sinI 即 相同时 光强相同 所以在屏上得到的光强相同的图样是平行于狭缝的条x 纹 当 时 在整个衍射图样中 此处光强最强 称为中央主极0 0I 大 当 即 时 在这些地方为暗条纹 暗 k 21 dDk 0I 条纹是以光轴为对称轴 呈等间隔 左右对称的分布 中央亮条纹的宽度 可x 用 的两条暗条纹间的间距确定 某一级暗条纹的位置与缝宽1 x2 成反比 大 小 各级衍射条纹向中央收缩 当 宽到一定程度 衍射dx d 现象 便不再明显 只能看到中央位置有一条亮线 这时可以认为光线是沿几何直线 传播的 次极大明纹与中央明纹的相对光强分别为 0 047 0 017 0 008 3 3 0I 由以上分析 如已知光波长 可得单缝的宽度计算公式为 3 kDdx 4 因此 如果测到了第 级暗条纹的位置 用光的衍射就可以测量细缝的宽度 因为激光的方向性极强 可视为平行光束 根据巴比涅定理可知 当宽度 为 的单缝换成宽度为 的细丝时 除 0 处 屏幕上的衍射光强分布与单缝dd 的衍射光强分布相同 根据互补原理 光束照射在细丝上时 其衍射效应和狭 缝一样 在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹 于是 利用上述原理我 们便可以利用衍射法测量细丝直径 即 为细丝直径 表示第几级暗纹数 为氦氖激光器kDdx Sdk 的波长 是第 级暗纹的位置 为暗纹之间的距离 S 3 2 2 光学系统设计 本系统采用波长为 0 6328 m 的氦氖激光器作为光源 其发出的高斯光束 经偏振片组 2 入射到双准直透镜 3 扩束成平行测量光 小孔光阑起空间滤波作 用 由狭缝 5 和 6 组成二次衍射装置 取出零级衍射光并有效消除杂散光后入 射到被测细丝 7 上 8 是遮光条 遮去零级衍射光束 然后由 CCD 接受细丝的 夫琅和费衍射图像最终转化成数字信号输入计算机 经由计算机处理 显示其衍 射图样并精确求得衍射图样的暗纹间距 由公式 3 4 计算给出测量结果 光学x 系统图如图 3 2 所示 1 2 3 4 3 5 6 7 8 9 1 氦氖激光器 2 偏振片组 3 准直透镜 4 小孔光阑 5 6 狭缝 7 细丝 8 遮光条 9 线阵 CCD 具体实 现 过 程 由 于 激 光 经 被 测 细 丝 衍 射 后 产 生 的 衍 射 条 纹 主 要 能 量 集 中 在 零 级 条 纹 上 为 避 免 CCD 饱 和 并 扩 大 CCD 测 量 的 动 态 范 围 特 用 遮 光 条 在 CCD 前 挡 去 衍 射 零 级 光 束 偏 振 片 组 可 用 来 调 节 入 射 光 束 的 强 弱 以 保 证 充 分 利 用 CCD 光 强 测 量 的 的 动 态 范 围 以 得 到 较 多 级 次 的 衍 射 信 号 由 于 激 光 具 有 相 干 性 好 的 特 性 所 以 残 留 杂 散 光 之 间 或 杂 散 光 与 衍 射 光 之 间 常 会 发 生 一 些 杂 乱 的 干 涉 条 纹 叠 加 在 衍 射 条 纹 上 使 测 量 信 号 受 到 严 重 干 扰 因 此 在 测 试 装 置 和 处 理 数 据 中 必 须 设 法 消 除 这 些 干 扰 才 能 取 出 有 用 的 不 失 真 衍 射 条 纹 信 号 否 则 得 不 到 到 正 确 的 测 量 结 果 采 用 两 个 狭 缝 5 和 6 组 成 二 次 衍 射 系 统 大 大 减 少 了 杂 散 光 的 干 扰 若 用 扩 束 平 行 光 直 接 照 射 细 丝 图 样 的 中 心 为 较 强 的 圆 光 斑 干 扰 很 大 即 使 使 用 遮 光 条 8 将 其 挡 去 其 在 光 学 元 件 和 遮 光 条 上 的 漫 射 光 形 成 的 杂 散 光 相 互 之 间 杂 散 光 与 衍 射 光 之 间 仍 能 形 成 较 强 的 干 涉 将 严 重 干 扰 衍 射 条 纹 使 图 样 严 重 扭 曲 无 法 使 用 而 二 次 衍 射 系 统 在 很 大 程 度 上 抑 制 了 杂 散 光 提 高 了 条 纹 信 号 的 信 噪 比 可 得 到 较 干 净 的 条 纹 图 样 基 本 保 证 测 量 信 息 不 受 畸 变 图 3 2 光学系统图 第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计 4 1 CCD 器件 电荷耦合器件 Charge Coupled Devices 简称 CCD 又称为固体摄像器 件 是 1970 年由美国贝尔实验室的 W S Boyle 和 G E Smith 受到磁泡存储器的 启发而提出 由贝尔实验室首先研制出来的新型光电成像器件 CCD 是在 MOS 晶体管电荷存储器的基础上发展起来的 根据不同领域的需求 目前己经 研制出了多种类型和规格的 CCD 传感器 并正向高灵敏度 高密度 高速度 和宽光谱响应范围的方向发展 CCD 有两种基本类型 一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面 并沿着界面传输 这种器件称为表面沟道电荷耦合器件 简称 SCCD Surface Charge Coupled Device 另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内 并在半导体体内沿着一定方向传输 这类器件称为体沟道或埋沟道电荷耦合器 件 简称 BCCD Body Charge Coupled Device 4 1 1 电荷耦合器件的结构 CCD 的典型结构以及各部分的命名如图 4 1 所示 输出栅输入信号 输入栅 输出信号1 23 输入二极管 输出二极管 SiP Si O2 图 4 1 以 P 型硅为衬底的 CCD 结构 CCD 的典型结构由三部分组成 1 主体部分即信号电荷转移部分 实际上是一串紧密排布的 MOS 电容 器 它的作用是存储信号电荷 并且使这些电荷在时钟的作用下有规律的转移 2 输入部分包括一个输入二极管和一个输入栅 它的作用是将信号电 荷引入到 CCD 的第一个转移栅下的势阱中 3 输出部分包括一个输出二极管和一个输出栅 它的作用在于将 CCD 最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出 并检测出电荷所输出的光信息 电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号 而不同于其它大多数器件是 以电流或者电压信号 无论线阵 CCD 还是面阵 CCD 其基本工作原理相同 主要由光电转换与电荷存储 电荷转移和电荷注入与检测三部分组成 4 1 2 电荷耦合器件的特性参数 1 转移效率 和转移损失率 电荷转移效率是表征 CCD 性能好坏的重要参数 一次转移后到达下一个 势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率 如果在 t 0 时 注入到 某电极下的电荷为 Q 0 在时间 t 时 大多数电荷在电场作用下向下一个电极 转移 但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下 若被留下来的电荷为 Q t 则转移效率为 4 1 0 Qt 0 t 1 如果转移损失率定义为 4 0 t 2 则转移效率与损失率的关系为 4 1 3 理想情况下 应等于 1 但实际上电荷在转移中有损失 所以 总是小于 1 的 常为 0 9999 以上 一个电荷为 Q 0 的电荷包 经过 n 次转移后 所剩下 的电荷 Q n Q 0 4 n 4 这样 n 次转移前后电荷量之间的关系为 4 neQ 0 5 由此可见 提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获 为此 常采用 胖 零 工作模式 即让 零 信号也有一些得到电荷 2 工作频率 f 工作频率下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰 注入电荷从一个电 极转移到另一个电极所用的时间必须少于少数载流子的平均寿命 即 t92 驱动频率 1MHz 动态范围 1700 1 输出幅度 1 7V 工作温度 0 600 供电电源 12V 功耗 140 Wm TCD1206 的特点 1 驱动简单 TCD1206 的四路驱动脉冲均可由 CMOS 逻辑器件 HC7404 直接提供 0 3V 到 5V 的脉冲 因为在芯片的内部已经设置了电平转换驱动器 这样极大地方 便了用户 2 灵敏度高 TCD1206 的光电灵敏度为 45v 它的饱和曝光量为 0 037 虽然低于slx slx TCD1208AP 但是它的动态范围 1700 比 TCD1208AP400 高得多 因而它被广泛 应用于各种尺寸的测量领域 3 光谱效应 TCD1206 的峰值响应波长为 550 长波限为 1100 短波限可延长到紫nmnm 外谱区 它的代产 TCD1200D 的紫外波长响应可延长到 250 响应范围宽 4 温度特性 当 TCD1206 的温度特性 环境温度由零度增长到 60 度时 它的信号输出 端几乎没有太大的变化 5 积分时间与暗电压的变化关系 各种线阵 CCD 器件的暗电压都与积分时间有关 这是由 CCD 的基本工作 原理决定的 它是积分器件 随着积分时间的增长 积累的暗电荷也要增大 4 2 2 TCD1206 的 引 脚 TCD1206 是一款高灵敏度 低暗电流 2160 像元 二相电极的双沟道线 型 CCD 图像传感器 它是由 2236 个 PN 结光电二极管构成光敏元阵列 其中 的前 64 个和后 12 个是用作暗电流检测而被遮蔽的 中间 2160 个光电二极管 是曝光像敏单元 每个光敏单元的尺寸为 14 长 14 高 中心距亦为 14um 中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列 有效单元为 2106 位 其um 作用是接收照射到 CCD 硅片的光 并将其转化成电荷信号 光敏元阵列总长 为 30 24 光敏元的两侧是用作存储光生电荷的 MOS 电容列 MOS 电容 阵列两侧是转移栅电极 SH 转移栅的两侧为 CCD 模拟移位寄存器 其输出部分 由信号输出单元和补偿单元构成 TCD1206 器件采用 DIP 封装 各引脚功能如 表 4 2 所示 表 4 2 TCD1206 引脚说明1 时钟2 时钟 SH 转移栅 RS 复位栅 OS 信号输出 DOS 补偿输出 OD 电源 SS 地 NC 空脚 4 3 CCD 驱 动 电 路 的 设 计 TCD1206 的驱动电路如图 4 2 所示 由晶体振荡器构成的脉冲信号源产生主时钟 脉冲经可编程逻辑M 器件 ISPLSI 产生 四路驱动脉冲 在这四路驱动脉冲的作SH 12R 用下 TCD1206SUP 输出 OS 信号及 DOS 信号 将此二路输出信号分别送到差 分放大器 LF357 的正 反输入端进行差分放大 抑制掉共模的 引起的干扰 R 得到如 4 3 图所示的信号波形 图 4 3 中的 SP 及 是为用户提供的控制脉冲 C SP 与 CCD 输出的像元光电信号同步 可用来做采样保持控制信号 的上C 升沿对应于 CCD 的第一个有效像素单元 S1 因而可以用作行同步 当然也可 以用 作行同步 但由于 CCD 首先输出 64 个虚设单元信号 所以采用SH 比采用 更好 C OS 1 DOS 2 OD 3 R 4 NC 5 1 6 NC 7 NC 8 NC 9 NC 10 NC 11 NC 12 NC 13 NC 14 NC 15 NC 16 NC 17 NC 18 2 19 NC 20 SH 21 SS 22 TCD1206SUP R92 2K 2 2KR8 150 R6 150 R7 150 R5150 R4 R21K R1 1K 0 1uF C1 10uFC30 1uF C2 R32K 25A1015Y 25A1015Y DOS OS TC74HC04P 12V 图 4 2 TCD1206 的驱动电路 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSizeB Date 3 Jun 2005 Shet of File D ZHCHP Backup of Backup of Shet1 DBDrawn By U0 c SP R 12SH TINT 64低低低低 2160低低低低1低低低低低低 236低低低 图 4 3 TCD1206 驱动器的驱动脉冲和输出脉冲波形图 4 4 CCD 视频信号处理电路设计 目前 CCD 作为光电传感器在许多领域里得到广泛应用 被检测对象的光 信息通过光学成像系统成像于 CCD 的光敏面上 CCD 的光敏像元将其上的光 强度转换成电荷量 CCD 在一定频率的时钟脉冲的驱动下 在 CCD 的输出端 可以获得被测对象的视频信号 CCD 器件输出的视频信号比较特殊 其视频信 号波形就其幅值来讲是模拟信号 其幅值可以反映出每个像素单元受光后感生 电荷的多少 以及在信号输出和检测过程中的非线性以及信号转移过程中的电 荷损失 但是 在时间关系上 这些信号又受精确 稳定的时钟控制 并在时 钟脉冲的作用下移位输出 类似于数字移位寄存器 CCD 器 件 工 作 时 首 先 在 光 学 系 统 的 作 用 下 将 被 测 物 体 的 某 种 特 性 的 变 化 转 化 成 光 束 角 度 的 变 化 在 光 窗 面 下 受 到 光 线 照 射 的 像 素 中 产 生 光 生 电 荷 并 将 电 荷 存 储 在 像 素 单 元 中 然 后 在 CCD 驱 动 电 路 中 的 读 出 时 钟 脉 冲 控 制 下 将 电 荷 转 移 并 移 位 传 输 至 输 出 电 路 中 经 输 出 电 路 将 电 荷 量 转 化 为 电 压 量 输 出 CCD 作为图像传感器使用时 为了保证图像的细节 必须确 定 分 辨 率 根 据 采 样 定 理 的 要 求 抽 样 频 率 应 高 于 图 像 的 最 高 空 间 频 率 的 2 倍 例如 设图像的最大空间频率为每毫米 40 条线 则抽样频率应大于或等 于 80 条线 对应的抽样尺寸为 即 12 5 应根据所求得的尺801m 寸去选择 CCD 此外 还要确保图像的亮度值应处于 CCD 光电转换特性允许 的动态范围之内 以保证转换后图像信息不失真 如果光电图像的亮度在时间 坐标上还有变化 则图像亮度对时间的变化上有一个最高截止频率 按照采样 定理 CCD 在时间坐标上对光学图像的采样频率应保证大于或等于 2 倍的图像 最高截止频率 由此可以确定允许 CCD 的光积分时间和计算机对信息采集的 时间 综合两方面的情况说明 CCD 信号具有模拟性和数字性 4 4 1 CCD 输 出 视 频 信 号 的 预 处 理 CCD 输出视频信号电压值只有毫伏级 而且存在芯片本身及外界引入的 噪声和干扰 所以为了准确提取有效信号 必须对视频信号进行预处理 比如 放大视频信号的幅值 对视频信号进行滤波等 1 电压跟随电路 CCD 本身是一种低功耗器件 它输出的视频信号的电流太小 甚至无法驱 动后续的视频信号处理电路 为了提高负载能力 在 CCD 的输出端 首先要 接电流放大电路 如图 4 4 所示 O S 1 2 V R 5 R 6 R 7 C 7 C 8 2 S A 1 0 1 5 O S 1 1 0 k 1 k 3 k 1 0 F1 F 图 4 4 电压跟随电路 系统电压跟随电路采用射级跟随器 具有较高的输入电阻和较低的输出电 阻 而且电流放大倍数较大 采用 2SA1015 PNP 型低噪声晶体管作为放大器件 80 FEh 2 信号放大电路 由于输入信号非常微弱 必须对信号进行放大 为后续提取信号中的有用 信息打下基础 但是由于信号太弱 传输过程中很容易产生漂移 引起误差 所以选用阻容耦合电路作为放大电路来抑制漂移 这时要保证运放工作在线性 状态 图 4 5 为反相输入阻容耦合放大电路 采用 LF356 作为运算放大器 通 过改变 R8 和 R9 来调整放大电路的放大倍数和反馈系数 改善放大电路的稳定 性 O S 2 1 2 V O S 1 L F 3 5 6 1 2 V C 9 R 8 R 9 1 F 1 5 0 5 K 图 4 5 信号放大电路 3 二阶有源低通滤波器 信号经过放大电路放大后 其中仍然夹杂部分高频脉冲信号 可以采用有 源低通滤波器将其滤除 有源滤波器由 R C 和集成运放组成 具有体积小 重量轻 不使用电感等特点 为了满足高精度的要求 本论文采用图 4 6 所示 的以运算放大器 LF357N 为核心的二阶有源低通滤波器 A O O S 2 R 1 0 R 1 1 R 1 2 R 1 3 C 1 1 C 1 0 A 2 K 2 K 2 0 0 1 5 0 图 4 6 二阶有源低通滤波器 其中 则通带增益 阻尼系数 自1010pFC 10 0A 然角频率 分别表示为n 4 9 1302RA 4 10 3 210A 4 11 RCn 具 体 设 计 时 通 带 增 益 不 能 太 大 自 然 角 频 率 不 能 太 低 否 则 无 法 过 滤 掉 信 号 中 的 高 频 噪 声 本 系 统 选 取 自 然 角 频 率 为 0 5MHz 4 4 2 CCD 输出视频信号的二值化处理方法 CCD 输出的视频数字信号中包含了图像背景信息和图像信息 由于被测物 与背景在光强上的变化 反映在 CCD 视频信号所对应的图像谱上 在边界处 会有明显的电平变化 为了将图像信息提取出来以便进行信息处理 通常采用 二值化的处理方法 将 CCD 视频信号中背景与图像信息分离成二值电平信息 线阵 CCD 检测中对 CCD 视频信号的二值化采用硬件电路来实现 二值化处理 就是把图像和背景分离成二值电平 0 和 1 如图 4 7 所示 C C D 视 频 信 号 二 值 化 信 号 0 0 t t 图 4 7 二值化处理原理 常用的二值化处理方法有固定阈值法 浮动阈值法和微分法 1 固定阈值法 固 定 阈 值 法 是 一 种 最 简 便 的 二 值 化 处 理 方 法 将 CCD 输 出 的 视 频 信 号 送 入 电 压 比 较 器 的 同 相 输 入 端 在 比 较 器 的 反 相 输 入 端 加 上 可 调 的 电 平 就 构 成 了 图 4 8 所 示 的 固 定 阈 值 二 值 化 电 路 当 CCD 视 频 信 号 的 幅 度 稍 稍 大 于 阈 值 电 压 电 压 比 较 器 反 相 输 入 端 的 电 位 时 电 压 比 较 器 输 出 为 高 电 平 CCD 视 频 信 号 小 于 等 于 阈 值 电 压 时 电 压 比 较 器 输 出 为 低 电 平 CCD 视 频 信 号 经 过 电 压 比 较 器 后 转 换 为 方 波 信 号 方 波 信 号 的 脉 冲 上 下 沿 位 置 和 脉 宽 随 着 阈 值 电 压 的 改 变 而 改 变 A U R R P 电 压 比 较 器 二 值 化 输 出 信 号 U 阈 值 电 平 C C D 视 频 信 号 图 4 8 固定阈值法二值化处理电路 当 采 用 固 定 阈 值 法 时 对 检 测 系 统 有 较 高 的 要 求 首 先 提 供 给 电 压 比 较 器 的 阈 值 电 压 要 稳 定 其 次 CCD 视 频 信 号 只 与 被 测 物 体 的 直 径 有 关 而 与 时 间 无 关 即 要 求 它 的 时 间 稳 定 显 然 这 就 要 求 测 量 系 统 的 光 源 及 CCD 驱 动 脉 冲 主 要 是 转 移 脉 冲 的 周 期 要 稳 定 因 此 采 用 固 定 阈 值 法 的 测 量 系 统 要 求 提 供 稳 定 恒 流 源 供 电 的 稳 定 光 源 但 有 些 现 场 在 线 检 测 的 情 况 下 由 于 背 景 辐 射 无 法 克 服 即 在 不 能 保 证 光 源 稳 定 的 情 况 下 固 定 阈 值 法 受 到 光 源 变 化 引 起 CCD 输 出 信 号 幅 度 变 化 从 而 导 致 测 量 误 差 当 误 差 大 到 不 能 允 许 时 就 不 能 采 用 固 定 阈 值 法 而 应 改 用 其 他 二 值 化 处 理 方 法 2 浮 动 阈 值 法 浮 动 阈 值 法 是 使 电 压 比 较 器 的 阈 值 电 压 随 测 量 系 统 的 光 源 或 随 CCD 输 出 视 频 信 号 的 幅 值 浮 动 这 样 当 光 源 强 度 变 化 引 起 CCD 的 视 频 信 号 起 伏 变 化 时 可 以 通 过 电 路 将 光 源 的 起 伏 或 CCD 视 频 信 号